复合材料紧固件螺纹力学拔出性能研究外文翻译资料

 2022-01-11 09:01

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复合材料紧固件螺纹力学拔出性能研究

摘要：本文提出了一种对C/C复合材料编织体制备的紧固件螺纹进行力学拔出性能测试的方法。其中通过光学显微镜与高分辨率CT系统对C/C复合材料紧固件螺纹的破坏形貌进行了表征，并采用声发射技术（AE），根据其AE事件率的指数型剖面为测试基准，对螺纹从被施加载荷直到断裂的破坏进程进行追踪测试。最后依据连续损伤力学建立了3D有限元破坏演化模型，对复合材料螺纹的载荷分布以及破坏进程进行了计算分析，并通过该模型探讨了节距与载荷分布之间的关系以及装配方向与极限载荷之间的关系。

本文通过研究得出以下结论：1.根据锥型悬臂梁假设对首螺纹的应力进行了分析。结果显示表明，首螺纹在根部表现为脆性断裂并且是初始创伤，此处为螺纹的高应力水平区域。2.C/C复合材料螺纹上的负载分布并不是一致的，并且没有随着节距值的减少而得到改善3.C/C复合材料螺纹承载能力主要取决于紧固件（加工）方向。以上数值理论结果与实验结果完全吻合。

关键词：复合材料紧固件螺纹、拔出测试、载荷分布、声发射技术

Abstract

A method was proposed to test the pull-through mechanical behavior of fastener threads, which were fabricated from weave carbon/carbon (C/C) composites. The damage morphologies of the C/C fastener threads were observed through an optical microscope and high-resolution micro-CT systems. The acoustic emission (AE) technique was utilized to track the damage progression of threads during loading up to fracture in terms of AE event rate which has an exponential type profile. Finally, A 3D finite element damage evolution model of composite threads was established based on continuum damage mechanics to calculate the thread load distribution and damage progression. The relations between the pitch and the load distribution, as well as between different fabrication directions and ultimate loads, were investigated by using this model. The stress in the first thread was analyzed based on the tapered cantilever assumption. The results show that, the first thread is brittle fracture at the root where is the higher stress level region of the threads and it is the initial damage. The load distribution in C/C threads is not uniform and not improved as the value of pitch decreases. Load capacity of C/C threads is different result from the fabrication direction. Numerical results agree well with experimental results.

Key Words：Composite fastenerthreads Pull-throughtest Load distribution Acoustic emission

专业术语：

sigma; 应力矩阵

ε 应变矩阵

C0 初始弹力矩阵

D 破坏力矩阵

Cd 破坏弹力矩阵

Upsilon; 极坐标

theta; 极坐标

plusmn;beta; 螺纹角

mu; 摩擦系数

omega; 每单位长度螺旋载荷强度

Q 轴向载荷

F 横向载荷

M moment

N 拔出载荷

b 螺纹深度

b 根部螺纹厚度

t 圆锥悬臂螺纹厚度

Phi; 应力函数

macr;r rmacr; andmacr;rmacr;theta; 极坐标应力

  1. 前言

C/C复合材料由于其优异的耐高温特性最近被广泛应用，且为了使温度结构连接件能在未来运用于高温的环境中，现需要研究一种新型耐高温轻型的C/C复合材料紧固件。通过将C/C复合材料零件与C/C紧固件进行机械连接是一种常用的连接形式，其能传递高强载荷并有优越的可靠性。现已有一些学者对无机非基复合材料紧固件，例如C/C复合材料与C/SiC等进行了研究。Dogigli[8]等人测试了C/SiC螺栓在16000C下的拉伸强度与剪切强度。Borhk[9]等人通过在热循环下拧紧转矩研究了C/C-SiC复合材料结构件的机械性能。除此之外，Hui Mei[10]等人在高温下（13000C,16000C,18000C）2D C/SiC螺栓的拉伸强度。同时基于索普和山本[11,12]关于弹簧系统和平面梁的假设，对于金属螺纹的分布载荷分析上产生了两种分析模式方法。

但是现如今对于C/C复合材料紧固件螺纹的载荷与应力分布只有少部分学者进行了研究。C/C复合材料紧固件螺纹由于具有各向异性和复杂的微观结构，导致其与金属紧固件螺纹在失效机理上存在显著差异，因此对C/C复合材料紧固件螺纹的力学特性进行探讨具有极大的研究价值。

本文对C/C复合材料紧固件螺纹进行了常温下拔出实验，采用有限元分析法（FEM）和弹性理论对结构载荷与应力分布进行了分析。通过声发射（AE）技术中的AE计数率对试样从加载至破坏的过程进行了示踪，此示踪技术对于工程设计上有极大的价值。

  1. 实验过程

2.1原料与试样制备

本项目采用X-Y层积碳布与z穿孔碳纤维复合编织成型了三维C/C复合材料，并进一步通过化学气相渗透法制备了高密度C/C复合材料[13-17]，沿碳布方向加工成型C/C复合材料紧固件。图1展示了C/C复合材料紧固件的样品。其螺纹公称角度为600C，螺栓直径为10mm。

为节省成本只测试了两个样品。在制备过程中螺纹表面产生了大量的缺陷，如图2所示，且每一个样品在表面的缺陷都是随机分布的，这导致了对该螺纹进行力学失效形式分析变得十分困难。因此由于这些缺陷的影响，本项目降低了对螺纹有限元分析的模量。

2.2拔出实验与结果讨论

图3显示了为测试C/C紧固件螺纹的穿拉力学性能而设计的夹具如图3所示。在试验过程中，夹具钢板被撬开，通过夹具传递压缩力，同时通过紧固件产生拉力。持续施加拔出力，直到复合紧固件、螺母或两者都发生故障破坏。该系统适用于紧固件的筛选和紧固件开发。

根据实验标准，准静态加载采用0.5 mm/min的加载速度，所试验时间大于60 s。根据结果显示最终拔出载荷只有4860N。

图4显示了C/C紧固件螺纹的特征断裂情况。由于螺纹填料中含有许多短纤维，因此它们在碳基体中主要呈现出多孔结构。且由图可知螺纹的破坏形式为螺纹根部脆性纤维断裂[18]。

本文采用GE纳米管微型计算机断层成像技术（GE-nanotomo micro-CT）对C/C紧固件螺纹的内部断裂进行了观察和分析(图5)。如图所示，由于载荷分布并不均匀，紧固件第一、第二螺纹受到损伤。

由现象可推断，每个螺纹可以被认为是一个非常短，宽悬臂结构，其宽度是沿着螺旋线测量的螺纹总长度。其负载应用情况分析如下:两根螺纹的螺栓和螺母最初在全长范围内接触，螺纹在加载后弯曲，如图5所示受力对称，所以这种弯曲使载荷最终集中在两根螺纹的中心点从而使其破坏。

图3. 实验夹具

图4. C/C复合材料紧固件螺纹破坏图像

图5. C/C复合材料紧固件螺纹Micro-CT成像

2.3 光学弹性测试实验与结果

本项目通过光弹性实验测得到了螺纹的载荷和应力分布情况。实验装置如图6a所示，两个偏振器和透明螺栓模型沿垂直轴线布置，通过偏振器，入射光变为偏振光。该光在二维锚杆模型中被分解为在受力构件的两个垂直面上进行振动。透明螺栓模型中存在的应力可以通过对光通过透明模型时发生的光学变化进行测量而被检测。同时本实验按国家标准制备并加工了螺栓和金属螺母的二维光弹性模型。实验中该模型在金属框架下承受加载，其受载荷产生应力条纹如图6b所示。

基于图6中所示的螺纹的条纹图案，证实沿着螺栓长度的载荷分布是不均匀的。

图6显示了螺纹的局部条纹图案，高条纹密度表示应力集中区域[19]。 该图显示了两个浓度区域，一个位于根部，另一个靠近两个螺纹的接触边缘的中间。 该结果类似于图5中C / C螺纹断裂区域的结果。对各向同性材料螺纹的条纹图案的分析表明，C / C螺纹的载荷分布也应与在C / C螺纹中获得的相似。 光弹性实验见图6。

2.4声发射实验与结果

为了评估C / C紧固件的可靠性，例如螺纹的螺纹损伤演变表征，我们在该研究领域需要进行相当大的数据测试规模。

声发射测试（AE）[20,21]是建立AE数据和材料断裂之间联系的有用工具。 传感器放在紧固件的顶部（图3）。 在此测试中，AE可以实时监控螺纹损坏，以及损坏演变和轮廓。 因此，该方法可以评估在装载期间C / C紧固件螺纹的结构完整性。

首先需要通过根据事件发生率分析AE数据。 图7显示了拉拔试验下C / C紧固件螺纹的载荷和AE事件比例之间比较。样品负载和AE事件之比按照标准化值来定义，其中1（个系数）对应于4860 N（故障负载）。
如图7所示，在施加80％的极限载荷之前，AE计数比率仅为约10％。然而，在施加85％的极限载荷后，AE比率立即出现并且急剧增加至断裂。 从曲线中，主要观察到指数型轮廓。 曲线的拐点解释了螺纹损伤开始增长，包括纤维断裂，碳基质损伤，这会产生大量的AE信号。 因此，设计载荷的值是极限载荷的80％。 该参数在设计过程的许多方面都很重要。

  1. 数值模拟
    1. 3D螺纹FEM模型

图8显示了用于数值模拟的螺纹，螺母模型和网格的结构。 该模型有5个线程。其中之间间距为1.5毫米，且螺纹数为5。模型采用了三维实体单元绘制而成，同时应用八节点线性四面体（C3D8）元件来模拟螺纹和螺母。本项目在螺栓和螺母的螺纹之间建立了相互作用力的模拟，摩擦系数选为0.4，这是来源于C / C材料的摩擦系数。 设定螺母具有固定的轴向位移和旋转，并且螺栓顶部的表面与一个点相连，此点具有一度的给定位移（图8）

ABAQUS /标准解算器进行有限元分析的载荷比例结果如表1和图9所示。其中表1列出了每根螺纹所承载的载荷比例。图9显示了通过它获得的载荷比。该图用于建立负载分配的FEM线程模型与第一个线程承载最大的负载百分比的模型。可看出1号到4号螺纹的负载荷要大于总负载的60％。 由结果可知螺纹的负载率随着螺纹数量的增加而减少。 然而，由于螺母的额外力矩，因此最后一个螺纹的负载比大于前两个螺纹的负载比。

3.2对负载荷分配产生的影响因素

C / C螺纹相较于其他螺栓应具有特殊属性，因此必须考虑影响螺纹承载方式的因素，以确定这些特殊属性。据分析这些因素是两个螺纹之间的螺距和加工方向所导致。

又图10中的比较说明了螺距系数对载荷分布的影响。 当螺距值减小时，我们可以看到螺纹中的载荷分布并没有发生非常大的改变。

且由于复合材料的各向异性，加工方向是影响螺纹中载荷分布的另一个因素。 螺栓可以与碳布方向或Z纤维平行地进行制造，因此，加工方向可导致螺纹的机械性能发生变化。 在本文中，项目调整了3D螺纹FEM模型属性的加工方向，以模拟处于两个不同加工方向的螺纹。 如图11a所示，由蓝色（1个方向）和黄色（2个方向）箭头组成的平面平行于碳布， 红色箭头（3d方向）代表Z光纤方向（图11b）。

从图12可以显示出了朝向碳布和Z纤维方向制造的线中的载荷分布。

经过分析可看出这两个模型具有相似的分布曲线。 然而，沿着碳布方向制造的第一线的负载能力明显优于其他线的负载能力。 它还表明，与拉伸相比，螺栓层间剪切强度较低。 因此，在工程设计过程中，螺纹应与碳布拉伸方向平行进行设计与制造。

3.3渐进式损伤过程

C / C螺纹由断裂的纤维和碳基质组成。 在本文中，Hashin准则在确定复合材料失效形式方面非常有用及有效，建议将其用于确定分析纤维的损伤起始和基质失效原因[

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资料编号：[1705]

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